发动机缸孔平台网纹珩磨技术研究

2021-07-22张庆王力谦张明明郭荣辉

汽车实用技术 2021年13期

张庆，王力谦，张明明，郭荣辉

（台州滨海吉利发动机有限公司，浙江台州 318000）

引言

发动机是汽车的动力源，那么缸套就是发动机的心脏。随着人们环保意识的提升，汽车逐步向高功率、低排放方向发展，对缸体缸套的设计、加工提出了更高的要求。平台网纹珩可以很好地解决上述问题，经珩磨后的缸套表面可以减少汽缸壁及活塞组件的磨损，很大程度上降低发动机的磨合时间及提高发动机的寿命。缸体缸套表面的形状及网纹结构对发动机的性能、寿命及燃油经济性均有重要影响，要想获得高质量、满足技术要求的缸孔表面，需要通过专业的设备及合理的工艺排布来实现，缸孔珩磨是实现这一目标的重要手段。

1 缸孔平台网纹

针对缸孔网纹参数的设定，各发动机厂的标准存在一定差异，下面就大部分发动机公司执行的基于轮廓支承长度率曲线（Abbott -Fire·stone曲线）评定的参数进行分析、研究。

1.1 基本概念[1]

取样的长度Ir：在测量时规定的基准线长度。

评价的长度In：是Ir相加的总和，至少1个，通常为5个，如图1所示。

图1 取样和评定长度

轮廓支撑长度（ηp）：在 Ir内，剖切线与轮廓相交得到的各段交线长度之和。

轮廓支承长度率（Mr）：是 ηp与 Ir 的比值，如公式 1及图2所示。

图2 轮廓支承长度率

轮廓支承长度率曲线tp（c）：根据相交线的位置来确定轮廓支承长度率Mr，用图展现出来就是轮廓支承长度率曲线tp（c）。

1.2 轮廓支撑长度率曲线生成方法

（1）立直角坐标系，支承率Mr为横轴，截距C为纵轴，两轴交点为原点。

（2）纵轴的顶点与轮廓的最大高度峰顶线所对应。

（3）用不同的相交线对轮廓分割，并计算各截距的 tp值，将tp值标记在坐标系中。

（4）把所有点用线圆滑的连接起来，就形成了tp（c）线，如图3所示。

图3 tp（c）曲线生成方法

1.3 缸孔网纹参数确定方法

（1）在tp（c）曲线的坐标系中，用Mr为40%的切割线沿着tp（c）曲线移动[2]，在最小的斜率位置停止。

（2）将切线向两端延长与两侧纵轴相交，交点分别为点1、点2。

（3）点1以上至Mr为0%的部分为轮廓峰区Rpk，点2以下至Mr为100%的部分为轮廓谷区Rvk，两点之间为核心轮廓区Rk。

（4）将点1、点2相连并与tp（c）曲线相交，交点投影到水平轴的点即为：波峰轮廓支撑长度率Mr1与波谷轮廓支撑长度率Mr2。

1.4 缸孔网纹角度形成过程

缸孔网纹还有一项关键指标，即网纹角度 θ。缸孔珩磨是利用珩磨头上固定的砂条，由涨开机构将沙条涨开，使其压向缸孔孔壁产生一定的面接触，同时珩磨头旋转和往复运动，实现缸孔表面的珩磨，如图4所示。

图4 珩磨头张开机构

在珩磨头旋转和往复运动过程中，珩磨头砂条内部的金刚石颗粒在缸孔表面切削出均匀交叉网纹，交叉网纹间的角度就是切削交叉角θ。其形成过程如图5所示，假设珩磨网纹角为θ，珩磨头往复运动速度为V往，转速为n，缸孔直径为D，则有：

图5 网纹夹角

缸孔网纹角度也是影响发动机性能的一个重要指标，不同的发动机制造商对 θ角要求并不相同，但通常在 45°±15°之间。网纹角度θ的大小和均匀程度直接影响发动机的机油消耗及缸孔表面油膜形态。若θ角过大，网纹呈现竖直状态，网纹的储油能力下降，活塞与缸套内壁的润滑状况变差，当发动机启动和加速时，因网纹中机油储存量不足导致孔壁及活塞环磨损加剧；若θ角过小，机油流动性降低，影响油膜的均匀性及油环刮油效果，机油在燃烧室参与燃烧，造成机油消耗增加和排放超标。

国内外发动机制造企业对缸孔网纹参数的控制范围略有不同，一般缸孔网纹参数控制在：Rz：2～5 μm；Rpk：≤0.4 μm；Rk：0.2～1.0 μm；Rvk：0.5～2 μm；Mr1：≤10%；Mr2：60%～85%。

缸孔网纹经过珩磨头的平台珩磨，缸套表面与活塞环的接触面积得到大大的提升，且因为细小、均匀的纹路使燃烧室的密封得到明显改善。相比与普通珩磨，经平台珩磨后的缸孔表面使发动机的磨合周期可以缩短至少30%，机油消耗减少至少50%。

2 加工平台网纹表面的关键技术

要获得好的稳定的网纹结构，对缸套加工的工艺设计及设备的精度要求都很高，以下进行详细讨论。

2.1 合理的工艺流程及加工方式

缸套内壁的加工目前各发动机工厂基本是由粗镗缸孔、精镗缸孔、珩磨3个工序完成。以某机型缸孔加工为例，缸孔内壁的加工分为粗镗、半精镗、精镗和珩磨。在工艺排布上半精镗和精镗在同一工序加工，粗镗排布在前序加工，因镗缸孔用时较长，以缸孔长度130 mm的4缸缸体为例，镗缸孔根据切削参数设定的不同一般用时在40 s～60 s。对各发动机厂高产能线体而言这是一个庞大的数字，所以不得不将镗缸孔工艺分开排布。粗镗缸孔主要是去除余量，为后续加工提供稳定的直径及圆度、圆柱度；粗镗缸孔的单边加工量一般控制在0.4 mm～0.6 mm；精镗缸孔单边切削量一般控制在0.15 mm～0.25 mm，且精镗缸孔刀具的选择，一般选用展开式镗刀，在切削完毕后刀片缩回，再退刀，这样可以避免刀具在退刀时产生退刀纹。精镗缸孔时对缸孔的形状及位置尺寸都控制的比较严格，圆柱度一般控制在φ=0.018以内，粗糙度Ra1.6～Ra3.2，部分工厂对RZ也有严格的控制，直径变化应控制在0.03 mm以内。

为了加工出平台网纹结构，珩磨工序一般分为粗珩缸孔、精珩缸孔和平台珩磨三个阶段[3]。

粗珩缸孔：主要是形成直径及圆柱度可控的圆柱形孔和适合精珩磨的表面粗糙度，为保证珩磨效率及珩磨砂条的使用寿命，粗珩单边珩磨量一般控制在0.015 mm～0.03 mm[4]。

精珩缸孔：拉网纹阶段，采用浓度较低的金刚石或碳化硅砂条，经精珩后的缸孔已经形成均匀的交叉网纹，缸孔的最终尺寸基本在精珩时已达到要求，此阶段单边珩磨余量一般控制在0.01 mm～0.015 mm。

平台珩磨：将缸孔表面的波峰磨去并形成平台面。很多业内人士认为，平台珩阶段只是修整网纹结构，不影响缸孔加工直径，但经大量实验验证，平台珩阶段缸孔直径有0.003 mm～0.006 mm的变化量。

2.2 先进的机床功能与设备

2.2.1 镗缸孔工序

保证缸孔加工质量，首先确保机床的精确度，以某发动机厂精镗缸孔的德国HELLER加工中心为例，机床定位精度和重复定位精度及丝杠的反向间隙均可保证在0.003 mm以内，为加工高质量缸孔形位尺寸提供精度保障。在精镗阶段就必须保证缸孔的位置精度，因缸孔珩磨多为浮动珩磨，过程中无法对位置纠正。机床精度可以使用激光干涉仪对机床精度的检测：图6是HELLER精镗缸孔工序设备的定位精度及重复定位精度，均小于 0.003 mm，丝杠的反向间隙小于0.001 5 mm。

图6 机床精度

2.2.2 珩磨工序

珩磨机为缸孔加工的最重要设备，大部分工厂选用的是德国NAGEL自动珩磨机和德国Gehring自动珩磨机。不同珩磨机珩磨原理是相同的，缸孔的平台珩磨是通过3次珩磨来实现的，即粗珩磨、精珩磨和平台珩磨，缸体珩磨过程如图7所示：

图7 珩磨过程

珩磨头涨开原理：双进给珩磨头是加工平台网纹的最佳选择，因精珩砂条及平台珩砂条安装在同一珩磨头机体上，珩磨过程只需切换涨开机构，这样就消除了重复定位的影响和对机床过高精度的要求，从而提高平台网纹的一致性及稳定性。在精珩阶段在线气检系统通过珩磨头测量孔气压的变化转换为电压信号，实时反馈孔径，当孔径达到预设尺寸后测量系统发出停止信号，精珩砂条退回，结束精珩磨，此时平台珩砂条径向涨开，开始平台珩磨[5]，平台珩磨由继电器控制珩磨往复行程的次数，保证平台珩加工余量的稳定性，达到设定次数后珩磨条自动缩回，珩磨头退出缸孔。图8为精珩及平台珩一体式珩磨头结构：

图8 珩磨头结构

2.2.3 珩磨条

珩磨条安装于珩磨头机体上，用来去除余量、形成网纹及磨珩磨平台。珩磨条材质常用的有金刚石和碳化硅两种，发动机的缸孔珩磨一般采用硬度较高的铜基金刚石珩磨条，此种结构珩磨条强度高，使用寿命长，且能承载较大负荷及加工稳定的特点。目前各刀具厂家制作的金刚石砂条切加工寿命均可达到12 000件以上，很好地提升了生产效率[6]。

以铜机体的金刚石砂条为例，珩磨条的内部金刚石颗粒的大小及机体的硬度是珩磨条的关键衡量指标，金刚石粒度越大，珩磨效率越高，但表面粗糙度会比较差；铜机体的硬度越高，珩磨条的自锐能力降低，珩磨条的寿命越长，且切削性能变差。砂条磨削孔壁的过程可看做是多刃成型刀具的加工过程，当施加在砂条上的压力不变时，低浓度的砂条参与切削的磨粒减少，每个磨粒与工件接触部位压强将增加，从而导致磨粒切削的深度增加，形成的网纹相应地加深。所以，拉网纹砂条选择原则应为：在保证耐用度的条件下，尽量选择低浓度砂条。这样才能获得深沟槽网纹。